耦合腔体在大功率短波发射机中的应用

1、耦合腔体在大功率短波发射机中的应用    【摘要】本文通过对比耦合腔体在国外以及国内大功率短波发射机中的发展应用，对耦合腔体的结构以及原理，并通过简单计算，对两种不同结构的腔体的特性阻抗，低端工作频率时等效电感和高端工作频率时的等效电感进行了对比，对耦合腔体发射机腔体常见故障及维护方法做了简要介绍。 【关键词】大功率；短波发射机；耦合腔体；故障 一、传统电容电感线圈谐振回路 现代大功率短波发射机高末级功率放大器，通常采用一只大功率陶瓷四极管单边放大电路，其调谐回路通常采用可变陶瓷真空电容，调谐电感线圈组成的形网络，这个行网络主要起谐振，滤波阻抗变换的作用

2、，在性网络后面再接一个T型网络进行发射机输出阻抗变换。由于短波发射机工作在3MHz-30MHz的高频范围，在发射机末级功率放大器设计时，要充分考虑末级调谐线圈的结构，布局以及分布电容的影响，大电流接点的接触，冷却散热等问题。传统调谐线圈在使用中存在的一个问题是：在发射机工作在频率的低端时，比如3.9MHz，调谐电感使用的圈数很多，而在高端频率工作时，比如26.1MHz时，线圈的圈数又使用的非常少。即使将不用的线圈逐圈短路，但是被短路部分的线圈，其等效引线电感会影响正在使用的线圈，对电子管阳极呈现出高频高阻抗，这种情况产生的高次谐波影响末级放大器的效率，情况严重的会产生寄生震荡，造成发射机工作不

3、稳定。 二、耦合腔体在短波发射机中的应用 1.20世纪80年代，美国首先将腔体耦合技术应用于大陆公司生产的420C型500KW短波发射机上。耦合腔体也称为耦合电感，其优点是克服了传统电感线圈的弊端，将不用的电感屏蔽在无磁场区内，同时线圈接触点的接触问题也得到了有效解决。20世纪90年代，我国引进了一批美国大陆公司的420C型短波发射机，基于耦合腔体的种种优点，我国在后期设计制造的发射机，比如，航天部23所SW-150，北广科技公司TBH522等发射机，厂家在发射机设计生产中高周末级也仿制了美国大陆公司耦合腔体的形式。 2.高末级的腔体结构。美国大陆公司420C发射机调谐腔体其结构为长4500m

4、m，宽1219.2mm，高914.4mm的长方体，四周围用铜板覆盖，中心用两个外径为227mm的铜管构成调配线，腔体截面图，见图1，在腔体中有一个可以前后移动的短路板（隔离板），此短路板可以根据工作频率不同，调整短路板的位置，短路板可以用作频率预置，将不用的部分短路，并封闭在腔体之外，使之不起阻抗反射作用。短路板四周铜板，短路板与两根铜管之间都装有弹簧压力接点，接点为气动可压缩弹簧接点，短路板需要移动时，用气泵推动气缸压缩弹簧使接点打开，短路板装在两六棱形轨道上，靠驱动电机转动带动滚筒拉绳来移动短路板，实现无磨损移动改变电感量，短路板到位后，去掉气动压力，压力弹簧使接点接触。短路板四周共有50

5、个接点，上下长边共装有28个接点，左右短边共装有22个接点，短路板与每个铜管之间装有12个接点，每个接点直径为20mm，表面镀银，每个接点可通过33A的高频电流，每根铜管可通过电流为33×12=400A的高频电流，腔体工作频率为3.9MHz-26.1MHz。 航天部23所生产的SW-150A短波150KW发射机在设计高周槽路时，采用的是大陆公司420C发射机的耦合腔体的形式，在设计尺寸和结构上与大陆公司发射机大致相同。 北京广播设备厂设计的TBH521型发射机时也借鉴了大陆公司的耦合腔体的末级槽路调谐形式，不过，北广在腔体的结构和上都做了一些改变，腔体长度缩短为395mm，宽度调整为

6、1250mm，高度调整为990mm，中间两根紫铜管直径调整为180mm，在TBH521型发射机腔体内，短路板四周对地接点采用簧片式形式，中间两根铜管圆周上安装的弹簧接点的数量使用的气缸与美国大陆公司生产的发射机是有区别的，在实际使用中，发现簧片式结构虽然接触面积增大，接触也比较良好，但故障率却有所增加，另外在腔体短路板移动的传动方式上，北广发射机最初设计时采用了齿条传动的形式，而没有采用大陆公司拉线式轴承传动的方法，但是经过实践证明，齿条传动容易出现两边齿条不同步现象，再一个传动力矩过大，经常出现卡死等机械传动故障，为消除上述问题，近几年北广生产的TBH522发射机放弃了齿条传动方案，采取了与

7、大陆公司相同的拉线轴承传动方式，在腔体制造方面，当初在TBH521上采用的铝合金腔体，经过实践后也改为紫铜板腔体。 三、耦合腔体的理论分析 耦合腔体电感大陆公司称作腔体CAVI-TY，实则它与腔体还有区别，如图所示，耦合腔体是两导管形成的调配线，四周有隔离板。终端有一活动短路板将不用部分短路在无磁场处，最大程度消除射频发射。当四周隔板与导管距离很近时，导体对地影响不能忽略，形成形电感见图2，由图2可见，不但两管之间有感抗XL2，而且每边对地也有另一感抗XL1。 耦合腔电感的计算： 1.基本概念 根据腔体截面，可以求出单端特性阻抗Wo，单从图2中来看，a，b两导管之间有阻抗Z，a，b对地分别又有

8、阻抗We，a，b两导管间特性阻抗为2Wo，它等于Z与2We相并联2We=2We*Z/（2We+Z），可以得出Z=2WeWo/（2We-Wo）， 由Z就可以求出图2中的XL2，由We求得XL1。 2.应用公式 根据图截面参数其单端特性阻抗为： Wo=60lnth（D/2a）*th（n/a）/th（d/4a）*th（b/2a） 因没有现成的We计算公式，可以近似为等面积的圆截面，根据核算误差确实较小，其等面积半径R=的圆截面，当两截面间D，d相等时，近似单端对地阻抗为We=60ln，而一导管对另一导管实际阻抗Z为： Z=2WeWo/（2We-Wo）。 以上只是求出腔体的截面阻抗关系，求XL1，XL

9、2，还必须与腔体所用长度有关。 3.求电感值，根据传输线一般公式 ，设l为活动板到腔体口的距离，Zl为自终端长度为l处的阻抗，Zr为终端阻抗，Zo为特性阻抗，a=，为计算波长，相角=al。 当腔体终端短路时Zr=0，代入上式则： Zl=Zo，求L1，L2时 jXL1=jWetgal（） L1=（uh）， jXL2=jZtgal（） L2=（uh）。 4.实际耦合腔电感粗算 （1）大陆公司420C500KW（SW-150A短波机相同） a=914.4mm，b=1219.2mm，n=304.8mm，D=609.6mm，d=11266.7mm，Wo=58.882，We=81.37。 当l=3.8m，

10、f=3.9MHz时： jXL1=j26.1；L1=1.069uh；jXL2=j136.675；L2=5.59218uh 当l=0.575m，f=26.1MHz时： jXL1=j26.44；L1=0.1616545uh；jXL2=j138.448；L2=0.84647uh （2）北广TBH522机 a=1000mm，b=1250mm，D=400mm，n=425mm，d=180mm，Wo=76.7，We=143.55 当l=3.8m，f=3.9MHz时： jXL1=j46.04；L1=1.8338uh；jXL2=j105.56；L2=4.319uh。 当l=0.575m，f=26.1MHz时： j

11、XL1=j40.626；L1=0.285uh；jXL2=j138.448；L2=0.6538uh。 （3）两种腔体结构的不同 截面的宽高比不同，420C用4：3，TBH522采用的是5：4，两种相比较之下5：4更好一些。导管距离级n：D：n的关系，TBH522大致为1：1：1，而420C大致为1：2：1的关系。两者Wo，We大致相同，TBH522稍小。 四、耦合腔体常见故障 在大功率短波发射机末级射频功放级采用耦合腔体组成调谐网络，解决了一些调谐线圈式谐振网络不能解决的射频反馈和接点接触问题，对大功率短波发射机射频放大系统稳定带来了帮助。同时腔体耦合器的使用对维护也增加了新的项目：（1）机械故障，有传动销钉断，拉线断，等故障，应在腔体常用频率位置做好标记，有助于正确回复实际位置；（2）腔体接点由于要承受高频大电流，接点容易打火烧坏，应定期检查接点接触情况，压力不足或接触不好易造成接点烧坏，腔体及时清洁，对打火部位用用细砂纸打磨；（3）由于腔体短路板接点打开靠气压驱动，气路也是故障多发点，应经常检查气管，气缸有无漏气，